DE947178C

DE947178C - Directional antenna made of an artificial dielectric

Info

Publication number: DE947178C
Application number: DEC7724A
Authority: DE
Inventors: Jean Claude Simon
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1952-06-12
Filing date: 1953-06-13
Publication date: 1956-08-09
Also published as: CH332677A; GB732827A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

AUSGEGEBEN AM 9. AUGUST 1956ISSUED AUGUST 9, 1956

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

KLASSE 21a⁴ GRUPPE 4602 INTERNAT. KLASSE H04d CLASS 21a ⁴ GROUP 4602 INTERNAT. CLASS H04d

C 7724 VIII a 121a*C 7724 VIII a 121a *

Jean Claude Simon, ParisJean Claude Simon, Paris

ist als Erfinder genannt wordenhas been named as the inventor

Compagnie Generale de Telegraphie sans FiI, ParisCompagnie Generale de Telegraphie sans FiI, Paris

Aus einem künstlichen Dielektrikum bestehende RichtantenneDirectional antenna made of an artificial dielectric

Patentiert im. Gebiet der Bundesrepublik Deutschland vom'13. Juni 1953 an Patentanmeldung bekanntgemacht am 16. Februar 1956Patented in. Territory of the Federal Republic of Germany from 13. June 1953 Patent application published February 16, 1956

Patenterteilung bekanntgemacht am-19. Juli' 1956 Die Priorität der Anmeldung in Frankreich, vom 12. Juni 1952 ist in Anspruch genommenPatent grant announced on-19. July '1956 The priority of the application in France, dated June 12, 1952, has been claimed

Die Erfindung betrifft eine aus einem künstlichen Dielektrikum bestehende Richtantenne für ultrakurze Wellen. Die üblicherweise bei Meterwellen verwendeten Antennen gehören zu zwei Klassen: die aus einem Dipol abgeleiteten, als Yagi-Antennen bezeichneten Antennen und die dielektrischen Antennen.The invention relates to an ultrashort directional antenna consisting of an artificial dielectric Waves. The antennas commonly used for meter waves belong to two classes: the antennas derived from a dipole, called yagi antennas, and the dielectric antennas Antennas.

Die Yagi-Antennen besitzen wenigstens einen aktiven Halbwellen-Dipol, der in seiner Mitte mit dem Antennenkabel verbunden ist, und eine Folge von passiven Dipolen, welche als· Richtelemente dienen, d. h. welche der gesamten Anordnung eine hohe Richtwirkung verleihen. Dabei sind die passiven Dipole in elektromagnetischer Hinsicht mit dem aktiven Dipol gekoppelt, und durch ihre Sekundär strahlung beeinflussen sie die von diesem letzteren ausgestrahlten Felder, derart, daß sich eine hohe Gesamtrichtwirkung ergibt.The Yagi antennas have at least one active half-wave dipole, the one in its center with connected to the antenna cable, and a series of passive dipoles, which act as · directional elements serve, d. H. which give the entire arrangement a high level of directivity. There are those passive dipoles in electromagnetic terms coupled with the active dipole, and through their Secondary radiation they influence the fields emitted by this latter, in such a way that results in a high overall directivity.

. Die Berechnung einer solchen Antenne ist kompliziert und beruht auf der Ermittlung der Wechselwirkung der Ströme dieser Dipole. Die Yagi-Antennen haben eine gute Richtwirkung, jedoch ein schmales Durchlaßband. Sie sind ferner schwierig einzustellen und für die Polarisation der einfallenden Welle empfindlich.. The calculation of such an antenna is complicated and is based on the determination of the interaction of the currents of these dipoles. The yagi antennas have good directivity, however a narrow passband. They are also difficult to adjust and for the polarization of the incident wave sensitive.

Was die dielektrischen Antennen betrifft, so bestehen sie aus kerzenförmigen Stäben aus einem ίο dielektrischen Stoff, und sie strahlen am Ende ab. Sie haben den Vorteil, daß sie auf die Polarisation der einfallenden Wellen wenig oder gar nicht empfindlich sind. Der Nachteil dieser Antennen liegt darin, daß die abzustrahlende Welle eine nicht zu vernachlässigende Strecke in einem festen, dielektrischen Medium durchläuft. Alle bekannten festen Dielektrika zeigen aber dielektrische Verluste, die so hoch sind, daß die abgestrahlte Leistung erheblich herabgesetzt und somit der Wirkungsgrad der Antenne vermindert wird.As for the dielectric antennas, they are made of candle-shaped rods of a ίο dielectric fabric, and they end up radiating. They have the advantage that they are based on polarization the incoming waves are little or not at all sensitive. The disadvantage of these antennas is in that the wave to be radiated a not insignificant distance in a solid, dielectric Medium passes through. However, all known solid dielectrics show dielectric losses that are so high that the radiated power is considerably reduced and thus the efficiency of the Antenna is reduced.

Weitere Nachteile ergeben sich daraus, daß die dielektrischen Stoffe in ihrer Masse immer Inhomogenitäten aufweisen. Außerdem" sind die für die Ausbildung derartiger Antennen verwendbaren dielektrischen Stoffe kostspielig.Further disadvantages result from the fact that the dielectric materials always have inhomogeneities in their mass exhibit. In addition, they can be used for the formation of such antennas dielectric materials costly.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zum Bau einer Richtantenne eine Reihe von gleichen Metallscheiben zu verwenden, die abwechselnd mit dielektrischen Scheiben auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind und wie die gewöhnliche dielektrische Antenne von einem Ende der Achse her gespeist werden. Eine so ausgebildete Antenne weist aber einen schlechten Wirkungsgrad und geringe Richtwirkung auf, weil die Phasengeschwindigkeit innerhalb des Mediums kleiner als die Lichtgeschwindigkeit ist und weil die Platten aus dielektrischem Material unvermeidliche Verluste ergeben. Die Erfindung hat eine aus einem künstlichen Dielektrikum bestehende Richtantenne zum Gegenstand, welche die Vorteile der erwähnten Antennenarten aufweist, ohne ihre Nachteile zu haben. Nach dem Grundgedanken der Erfindung besteht die Antenne aus mehreren parallel zueinander auf einer Achse aufgereihten Metallplatten, die so verbunden sind, daß sie ein sogenanntes künstliches Dielektrikum bilden, welches an einem Ende der Achse gespeist wird und am anderen Ende abstrählt. Dieses künstliche dielektrische Medium besteht aus aufeinanderfolgenden Metallplatten, deren größte Abmessungen kleiner sind als die benutzte Wellenlänge. Diese - Platten sind in Abständen von etwa einem Viertel der benutzten Wellenlänge längs der Achse angeordnet. Sie bilden zusammen einen Körper von etwa zigarrenförmigem Umriß. Zur Ausbildung einer für die Polarisation der einfallenden Welle vollständig unempfindlichen Antenne sind diese Platten kreisförmig. Sie werden von einem oder mehreren in geeigneter Weise angeordneten Metallstäben getragen. Die Speisung erfolgt in an-sich bekannter Weise an einem Ende der Anordnung derart, daß die gesamte Stirnseite des Körpers mit einer senkrecht zur Achse polarisierten Welle beaufschlagt wird.It has already been proposed to use a number of identical metal disks to build a directional antenna to use that alternate with dielectric disks on a common axis are arranged and fed like the ordinary dielectric antenna from one end of the axis will. An antenna designed in this way, however, has a poor and low efficiency Directivity because the phase velocity within the medium is less than the speed of light and because the plates of dielectric material give rise to inevitable losses. The subject of the invention is a directional antenna consisting of an artificial dielectric, which has the advantages of the antenna types mentioned without having their disadvantages. To According to the basic idea of the invention, the antenna consists of several parallel to each other on one Axis lined up metal plates, which are connected in such a way that they form a so-called artificial dielectric form, which is fed at one end of the axis and streamed at the other end. This Artificial dielectric medium consists of successive metal plates, the largest dimensions of which are smaller than the wavelength used. These - plates are at intervals of about a quarter of the wavelength used along the axis. Together they form one Body roughly cigar-shaped. To train a for the polarization of the incident wave completely insensitive antenna, these plates are circular. you will be supported by one or more suitably arranged metal rods. The feeding takes place in a manner known per se at one end of the arrangement such that the entire end face of the body with a perpendicular is applied to the axis polarized wave.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung.Further details and advantages of the invention emerge from the following description of a Embodiment based on the drawing.

Die Zeichnung zeigt in der Seitenansicht eine Antenne, welche aus einer Reihe von Metallscheiben aufgebaut ist. Die dargestellte Antenne besitzt ein künstliches Dielektrikum. Sie besteht aus Metallscheiben oder Metallplatten O₁ bis G₂₂, deren Durchmesser kleiner ist als die benutzte Wellenlänge λ. Diese Scheiben sind in Abständen von etwa λ/4 angeordnet, und sie werden von' einem Metallstab b getragen, der sie in ihrer Mitte durchsetzt. Auf dem Stab b werden die Scheiben durch irgendwelche (nicht dargestellte) Mittel, wie Schraubenbolzen, Schrauben, Lötung usw., befestigt.The drawing shows a side view of an antenna which is constructed from a number of metal disks. The antenna shown has an artificial dielectric. It consists of metal disks or metal plates O ₁ to G ₂₂ , the diameter of which is smaller than the wavelength λ used. These disks are arranged at intervals of about λ / 4 , and they are carried by a metal rod b which passes through them in their center. On the rod b , the disks are fastened by any means (not shown) such as screw bolts, screws, soldering, etc.

Eine derartige Anordnung wird in der Achse 0-Z in der richtigen Weise abstrahlen, wenn die durch diesen Scheibenstapel gebildete elektromagnetische Leitung eine Fortpflanzung mit einer Phasengeschwindigkeit bewirkt, welche derjenigen im leeren Raum gleich ist. Dies kann man erreichen, indem man eine gewisse Beziehung zwischen dem Durchmesser und dem Abstand der Scheiben erfüllt. Such an arrangement will radiate in the correct way in the axis 0-Z if the electromagnetic line formed by this stack of discs causes a propagation with a phase velocity which is equal to that in empty space. This can be achieved by fulfilling some relationship between the diameter and the spacing of the disks.

Außerdem muß die Antenne mit polarisierten Wellen axial gespeist werden. Die Speiseeinrichtung besitzt zu diesem Zweck ein Horn /, dessen Lage mit "Hilfe von Gewinden einstellbar ist, die in dem Teil f und an dem Außenleiter g des koaxialen Antennenkabels vorgesehen sind.In addition, the antenna must be fed axially with polarized waves. For this purpose, the feed device has a horn / whose position can be adjusted with the aid of threads which are provided in part f and on the outer conductor g of the coaxial antenna cable.

Der Stab b ist an dem Teil h angeschweißt, durch welches das Ende des koaxialen Äntennenkabels kurzgeschlossen wird. Γη einem Abstand von etwa λ/4 von dieser Platte h befindet sich ein Dipol, der aus zwei Stäben i und k- besteht, die an dem Außenleiter g bzw. an dem Innenleiter c des koaxialen Kabels angelötet sind. Der Stab k tritt durch eine Öffnung m, deren Durchmesser merklich größer ist als derjenige des Stabes k und welche in dem Außenleiter g des koaxialen Kabels angebracht ist. Zwei halbkreisförmige Platten j und I sind aai den Enden der Stäbe i bzw. k angelötet. Der Durchmesser dieser Platten ist etwa 2/4. Die gesamte Höhe des Stabes i mit der Platte j, ebenso die Höhe des aus der Öffnung m hervorstehenden Teiles des Stabes k mit der Scheibe 1 beträgt etwa λ/4. noThe rod b is welded to the part h by which the end of the coaxial antenna cable is short-circuited. Γη a distance of about λ / 4 from this plate h there is a dipole which consists of two rods i and k- which are soldered to the outer conductor g and to the inner conductor c of the coaxial cable. The rod k passes through an opening m, the diameter of which is markedly larger than that of the rod k and which is mounted in the outer conductor g of the coaxial cable. Two semicircular plates j and I are soldered to the ends of rods i and k, respectively. The diameter of these plates is about 2/4. The total height of the rod i with the plate j, as well as the height of the part of the rod k with the disk 1 protruding from the opening m is approximately λ / 4. no

Die Richtwirkung tritt für eine Leitungslänge von einigen Wellenlängen ein. Dazu ist es notwendig (da die Leitung am einen Ende 0 erregt wird), den Strahlungswiderstand bzw. die Fortpflanzungsgeschwindigkeit auf der ganzen Länge der durch die Antenne gebildeten Leitung richtig zu wählen. Man erzielt die gewünschte Wirkung, indem man den Durchmesser der Scheiben in Fortpflanzungsrichtung abnehmen läßt. Durch diese Maßnahme erreicht man, daß am anderen Leitungsende Z, d. h. an der Abstrahlungsseite, eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser von etwa 4 λ gleichphasig erregt' wird. Man kann also mit einem solchen Element in der Achse eine Verstärkung von 12 db erzielen. Die erfindungsgemäße Antenne verhält sich somit wie ein am Ende>Z angebrachterThe directional effect occurs for a line length of a few wavelengths. For this it is necessary (since the line is excited at one end 0 ) to choose the correct radiation resistance or the propagation speed over the entire length of the line formed by the antenna. The desired effect is achieved by making the diameter of the disks decrease in the direction of propagation. By this measure is achieved that is at the other end of the line Z, that is in phase energized at the radiation side, a circular area with a diameter of about λ 4 '. With such an element in the axis, you can achieve a gain of 12 db. The antenna according to the invention thus behaves like one attached to the end> Z.

Hornstrahler mit kreisförmiger Mündungsfläche vom Durchmesser 4 λ, der seinerseits durch eine Schleife erregt wird.Horn antenna with a circular mouth surface with a diameter of 4 λ, which in turn is excited by a loop.

Eine derartige Antenne weist eine Bandbreite S auf, welche viel größer ist als diejenige einer Yagi-Antenne.Such an antenna has a bandwidth S which is much larger than that of one Yagi antenna.

Durch Verwendung einer Strahlergruppe von vier gleichen Elementen, die in den Ecken eines Quadrats angeordnet sind und deren Achsen zu der Ebene dieses Quadrats senkrecht stehen, könnte man, sofern man sie in Phase erregt, eine Gesamtverstärkung von 18 db erreichen.By using a radiator group of four identical elements in the corners of a Square are arranged and the axes of which are perpendicular to the plane of this square, could if they are excited in phase, a total gain of 18 db can be achieved.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Verwendung einer aus kreisförmigen Metallscheiben gebildeten Leitung, vielmehr kann man auch Elemente von anderer Form benutzen, wie z. B. viereckig, elliptisch, kreisbogenförmig usw.The invention is not limited to the use of one made of circular metal disks formed line, but you can also use elements of a different shape, such as. B. square, elliptical, circular arc, etc.

Die Kreisform hat den Vorteil, daß die Antenne in beliebiger Polarisation verwendet werden kann.The circular shape has the advantage that the antenna can be used in any polarization.

Durch Anwendung dieses Grundgedankens bei Antennen für Meterwellen, insbesondere bei Richtfunkverbindungen, kann man Breitbandantennen mit sehr hoher Verstärkung und sehr zweckmäßigem Aufbau herstellen.By applying this basic idea to antennas for meter waves, in particular to directional radio links, broadband antennas with a very high gain and a very useful structure can be produced.

In konstruktiver Hinsicht brauchen die metallischen Elemente nicht sehr genau hergestellt zu werden, da die künstlichen Dielektrika vom Stand der mechanischen Genauigkeit aus ziemlich große Toleranzen zulassen. ft/Jan könnte beispielsweise für die Scheiben Drahtgeflecht verwenden. Diese letzteren könnten durch drei oder vier Stäbe gehalten werden, welche zu der Achse der Anordnung parallel sind und einen Abstand von etwa λ/4 haben. Die Anordnung würde einen leichten und starren Träger bilden, welcher verhältnismäßig geringen Platz beansprucht und dem Wind wenig Angriffsfläche bietet.From a constructive point of view, the metallic elements do not need to be manufactured very precisely, since the artificial dielectrics permit fairly large tolerances from the level of mechanical precision. For example, ft / Jan could use wire mesh for the slices. The latter could be supported by three or four rods parallel to the axis of the assembly and spaced about λ / 4 apart. The arrangement would form a light and rigid carrier which takes up relatively little space and offers little surface area for the wind to attack.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Directional antenna consisting of an artificial dielectric, characterized by lined up on an axis at a distance of about a quarter of the wavelength used parallel metal plates, the largest dimension of which is smaller than the wavelength, where the sizes of the individual plates are chosen so that a body of cigar-like Outline arises, which is polarized from its blunt end with a perpendicular to the axis Wave is fed.

2. Antenna according to claim 1, characterized in that the plates are circular.

3. Antenna according to claim 1, characterized in that the feed arrangement by a horn and the end of a waveguide is formed.

4. Antenna according to claim 1, characterized in that the feed arrangement has a having a dipole connected to a coaxial cable.

Considered publications:

U.S. Patent No. 2588610;

Oxley-Nowak, "Antennentechnik, Theory and Practice", 1953, Fachbuchverlag Siegfried Schütz, Hanover.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings